This study was performed to investigate the effects of water molecules on ozone oxidation of acetaldehyde using a manganese oxide catalyst at room temperature. The catalytic ozone oxidation was conducted at different relative humidity (RH) conditions of 0%, 50%, and 80%. As the RH increased, both ozone and acetaldehyde removal efficiencies dropped due to competitive adsorption on the surface of the catalyst. At the highest RH of 80%, the oxidation reaction was severely retarded, and oxidation by-products such as acetic acid were formed and adsorbed on the surface. After the ozone oxidation of acetaldehyde, the regeneration of the catalyst using ozone alone was tested, and the further oxidation of accumulated organic compounds was investigated under the RH conditions of 0%, 50%, and 80%. When the highest relative humidity was introduced in the regeneration step, the ozonation reaction with the by-products adsorbed on the catalyst surface decreased due to the competitive reaction with water molecules. These findings revealed that, only when relative humidity was low to minimize the formation of by-products, the ozone oxidation of acetaldehyde using the manganese oxide catalyst at room temperature can be feasible as an effective control method.

In this study, a manganese catalyst on the surface of a ceramic support was developed for the removal of odor emitted from barbecuing restaurants. Its ozone oxidation at room temperature was tested using acetaldehyde (CH3CHO), the most dominant compound in the barbecuing odor, and the ozonation efficiency under wet conditions was also studied. The manganese catalyst was made with the honeycomb-type ceramic support, and an acid pretreatment was applied to increase its specific surface area, resulting in an increase of the degree of dispersion of manganese oxide. The acetaldehyde removal efficiency using the manganese catalyst on the acidpretreated support (Mn/APS) increased by 49%, and the ozone decomposition rate and the CO2 conversion rate also increased by 41% and 27%, respectively. The catalyst without surface pretreatment (Mn/S) showed a low efficiency for the acetaldehyde ozonation, and other organic compounds such as acetic acid (CH3COOH) and nonanal (CH3(CH3)7CHO) were found as oxidation by-products. In comparison, CO2 was the most dominant product by the ozonation of acetaldehyde using the Mn/APS. When the relative humidity was increased to 50% in the influent gas stream, the acetaldehyde removal efficiency using the Mn/APS decreased, but only the production rates of CO2 and acetic acid were changed. As a result, the manganese oxide catalyst on the surface of the acid-pretreated honeycomb support manifested high acetaldehyde ozonation even at humid and room temperature conditions.

Odor emitted from the degradation process of food waste is a common cause of public complaints, and appropriate odor treatment methods need to be implemented. In this study, a hybrid plasma catalyst system was applied to treat individual odorous compounds including acetaldehyde and hydrogen sulfide, which are known to be major odor compounds produced from food waste. MnOx catalysts were prepared by varying Mn/support loading ratios, and surface analyses showed that the Mn_5% catalyst achieved the highest performance because dominant manganese oxide species on the surface of the catalyst was found to be Mn2O3, Using the catalyst, the removal rate of hydrogen sulfide steadily increased as the space velocity in the MnOx catalyst reactor decreased. Meanwhile, the removal rate of acetaldehyde did not increase significantly when decreasing the space velocity more than 24,000 hr-1. Following the catalyst experiments using the individual odorous compounds, the hybrid system was applied for testing odor treatment of actual food waste. The actual food waste study showed that both hydrogen sulfide and acetaldehyde were steadily removed; hydrogen sulfide was removed almost completely during the initial 30-minute period, while the acetaldehyde removal was started after the decrease of hydrogen sulfide. In addition, it was confirmed that the dilution-to-threshold for odor reduced from 2,080 D/T to 300 D/T during the initial period. In conclusion, the plasma and Mn2O3 catalyst system can be applied in food waste collection containers to effectively control odor problems.

Odor emitted from food waste is commonly known as a severe problem, and needs to be controlled to minimize public complaints against food waste collection systems. In this study, ozone oxidation with manganese oxide catalyst, which is known to effectively treat odorous substances at room temperature, was applied to remove acetaldehyde and hydrogen sulfide, the model odorous compounds from food waste. In addition, the effect of relative humidity (RH) on the ozone/catalyst oxidation was tested at 40%, 60%, and 80%. When the catalyst was not applied, the removal of acetaldehyde was not observed with the ozone oxidation alone. In addition, hydrogen sulfide was slowly oxidized without a clear relationship under RH conditions. Meanwhile, the ozone oxidation rates for acetaldehyde and hydrogen sulfide substantially increased in the presence of the catalyst, but the removal efficiencies for both compounds decreased with increasing RH. Under the high RH conditions, active oxygen radicals, which were generated by ozone decomposition on the surface of the catalyst, were presumably absorbed and reacted with moisture, and the decomposition rate of the odorous compounds might be limited. Consequently, when the ozone oxidation device with a catalyst was applied to control odor from food waste, RH must be taken into account to determine the removal rates of target compounds. Moreover, its effect on the system performance must be carefully evaluated.

Acidic and basic mixtures of odorous compounds are commonly emitted from various sources, and, in an absorption process, pH conditions in the liquid phase significantly affect the performance. In this study, the effect of pH on mass transfer in a bubble column reactor was evaluated using hydrogen sulfide and ammonia as a model mixture. Their mass transfer coefficients were then calculated. Furthermore, the total mass transfer coefficients as a function of pH were evaluated, and the experimental data were fitted into an empirical equation using dimensionless numbers. The mass transfer rates of hydrogen sulfide, the non-ionic form, increased dramatically with increasing pHs, while those of ammonia were almost unchanged because of its high solubility. As a result, a favorable pH condition for less soluble compounds must be selected to achieve high absorption capacity. The total mass transfer rates, which took into account pH effects as well as all the non-ionic and ionic constituents together, were found to be from 2.2 to 2.4 × 10−3 min−1 for hydrogen sulfide and ammonia, respectively, and they were almost constant at different pHs. The empirical equations, which were derived to obtain the best fit for the total mass transfer rates, implied that a method to increase diffusivity of each compound should be applied to improve overall mass transfer. In addition, when using the empirical equation, a mass transfer coefficient at a given set of pH and operating conditions can be calculated and used to design a water scrubbing process.

During the decay process of food waste, odor and leachate are generally produced because food is easily decomposed due to its high organic and moisture contents. In this study, various food waste samples, including samples artificially prepared and collected from actual waste containers, were tested to determine odor and leachate production as the samples were decomposed at a constant temperature of 35°C. In the air phase, total volatile organic compounds (TVOCs), acetaldehyde (AA), methyl mercaptan (MM), hydrogen sulfide (H2S), and dimethyl sulfide (DMS) were measured as a function of the decay period for four days. The results of the experiment showed that TVOC and AA were produced at higher concentrations in the actual food waste than in all artificial wastes. The AA concentration accounted for about 90% of the TVOC in all of the waste samples except for the food waste containing meat and fish only. The concentrations of volatile sulfur compounds (VSCs) were generally lower than 100 μg/kg, and the concentration of DMS was the highest among the VSCs. In the waste sample containing meat and fish only; however, the concentration of VSCs increased up to 1,700 μg/kg, and mostly consisted of MM and DMS. Complex odor concentrations were found to be the highest after a decay period of 12-48 hours. In addition, the complex odor was mostly related to VSCs with low odor thresholds rather than the TVOC. The pH values mostly decreased from 5 to 3.5 as the waste samples were in the decomposition periods, while the pH value increased to 6 in the food waste containing meat and fish only. Consequently, odor intensity and leachate production were the highest in the 12-48 hour range as the decomposition started, and thus an appropriate control strategy needs to be implemented based on the waste composition and the decay period.

Hydrogen sulfide (H2S) emitted from various sources is a major odorous compound, and non-thermal plasma (NP) has emerged as a promising technique to eliminate H2S. This study was conducted to investigate lab-scale and pilot-scale NP reactors using corona discharge for the removal of H2S, and the effects of relative humidity, applied electrical power on reactor performance and ozone generation were determined. A gas stream containing H2S was injected to the lab-scale NP reactor, and the changes in H2S and ozone concentration were monitored. In the pilotscale NP experiment, the inlet concentration and flow rate were modified to determine the effect of relative humidity and applied power on the NP performance. In the lab-scale NP experiments, H2S removal was found to be the 1st-order reaction in the presence of ozone. On the other hand, when plasma reaction and ozone generation were initiated after H2S was introduced, the H2S oxidation followed the 0th-order kinetics. The ratio of indirect oxidation by ozone to the overall H2S removal was evaluated using two different experimental findings, indicating that approximately 70% of the overall H2S elimination was accounted for by the indirect oxidation. The pilotscale NP experiments showed that H2S introduced to the reactor was completely removed at low flow rates, and approximately 90% of H2S was eliminated at the gas flow rate of 15 m3/min. Furthermore, the elimination capacity of the pilot-scale NP was 3.4 g/m3·min for the removal of H2S at various inlet concentrations. Finally, the experimental results obtained from both the lab-scale and the pilot-scale reactor operations indicated that the H2S mass removal was proportional to the applied electrical power, and average H2S masses removed per unit electrical power were calculated to be 358 and 348 mg-H2S/kW in the lab-scale and the pilot-scale reactors, respectively. To optimize energy efficiency and prevent the generation of excessive ozone, an appropriate operating time of the NP reactor must be determined.

지구온난화 문제와 유기성 폐기물의 처리문제는 해결이 시급한 환경문제이며, 바이오가스는 이러한 문제를 동시에 해결할 수 있는 장점으로 크게 주목받고 있다. 그러나 바이오가스 중에 함유된 황화수소나 암모니아는 발전설비의 부식 및 대기오염을 유발하기 때문에 전처리가 필수적이다. 기체상 오염물질의 처리를 위한 다양한 기술 중 수세정(scrubber)은 기액간의 접촉을 유도하여 액상으로 오염물질을 흡수 및 제거하는 기술로 널리 활용되고 있는 기술이다. 또한 황화수소나 암모니아는 물에 대한 용해성이 높기 때문에 수세정 공정을 활용하기 유리하다. 그러나 고농도의 황화수소나 암모니아를 효율적으로 처리하기 위해 가성소다 등의 약품을 세정액에 용해시켜 활용하는 것은 세정 후 약액의 2차 처리문제를 야기한다. 이에 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 수세정공정에 전기화학적으로 생성된 free chlorine을 유입시켜 흡수된 황화수소 및 암모니아를 산화함으로써 물질전달률을 높일 수 있도록 하고자 하였다. 이를 위해서는 황화수소와 암모니아의 물질전달률의 평가가 필수적이며, 본 연구에서는 10mM의 NaCl이 용해된 수용액에 1,000 ppm의 황화수소와 암모니아가 4 L/min의 유량으로 단독으로 유입될 때와 동시에 유입될 때의 물질전달계수를 비교하였다. 수용액의 pH가 8일 때 황화수소 단독 물질전달계수(KLa-H2S)는 0.1214 min-1이고, 암모니아 단독 물질전달계수(KLa-NH3)는 9.9×10-5 min-1으로 산정되었다. 그러나 황화수소와 암모니아 각 1,000 ppm이 동시에 유입되었을 때 KLa-H2S는 0.2247 min-1, KLa-NH3는 1.6×10-4 min-1으로 물질전달속도가 상승하였다. 따라서 수세정 공정에서 황화수소와 암모니아의 동시유입이 제거율의 향상에 도움이 되는 것으로 나타났다. 또한, free chlorine에 의해 액상 황화수소와 암모니아가 제거된다면 추가적인 물질전달계수의 향상이 가능하다.

음식물류 폐기물은 함수율과 유기물 함량이 높은 것으로 알려져 있으며, 유기물의 분해과정에서 CO2와 H2O가 생성되어 침출수가 발생하는 것으로 알려져 있다. 이로 인해 음식물류 폐기물의 수거 및 처리과정에서 침출수에 의한 오염과 침출수 처리에 관한 문제가 증가하는 경향을 보이고 있다. 그러므로 배출지에 따라 변화하는 음식물류 폐기물의 조성과 부패기간에 따른 침출수의 발생 특성을 확인하고 그에 따른 침출수 처리방안에 대한 연구가 필요한 실정이다. 음식물류 폐기물의 경우 조성이 다양하며 그로인해 침출수의 누적발생량과 pH 변화량 또한 배출지별로 많은 차이가 생길 것으로 판단되었다. 본 연구에서는 침출수의 발생특성을 확인하기 위하여 인위적으로 조성비율이 다른 음식물류 폐기물을 제조하였으며, 환경부에서 고시한 “음식물 찌꺼기 표준시료”를 참고하여 제조한 환경부 고시 참고 시료와 단백질이 주성분인 어육류로만 제조한 어육류 단일시료, 단백질 함유량이 적은 채소와 곡류로만 제조한 채소･곡류 혼합시료를 제조하여 실험을 진행하였다. 제조 음식물류 폐기물은 곡류, 채소류, 과일류, 어육류로 구성되었으며, 함수율(80%)과 염분(4%)을 조절하여 제조하였다. 각자 비율에 맞게 제조를 완료한 시료는 일정한 온도에서 부패를 진행하였으며, 부패기간에 따른 침출수의 누적발생량과 pH 변화를 측정하였다. 부패가 진행되는 과정에서 24시간 간격으로 침출수의 누적발생량과 pH 변화량을 관찰하였다. 실험결과 표준적인 조성비율을 가진 환경부 고시 참고 시료의 경우 보다 극단적인 조성비율을 가지는 시료의 경우 부패가 빠르게 진행되는 것을 확인하였다. 어육류 단일시료의 경우 4일 후 120 mL/kg의 침출수가 발생하였으며, 환경부 고시 참고 시료의 경우 –20 mL/kg으로 오히려 처음에 비해 감소하는 경향을 보였다. 또한 pH 측정결과 환경부 고시 참고 시료와 채소･곡류 혼합시료의 경우 5.0에서 3.5까지 감소하는 경향을 보였지만 어육류 단일시료의 경우 5.8에서 6.5까지 증가하였다. 위 결과를 통해 배출지의 음식물류 폐기물의 조성 및 부패기간에 따른 침출수 처리장치 및 관리방안의 기초설계 인자를 도출하고자 하였다.

음식물류 폐기물은 높은 수분 및 유기물 함량으로 인해 쉽게 부패되며, 그 과정에서 TVOC 및 황화수소 등 많은 종류의 악취와 다양한 미생물들이 발생한다. 황계열 및 TVOC 와 같은 악취물질은 수거용기 내부에서 발생하여 생활악취 민원의 주요 원인이 되고 있다. 또한 음식물류 폐기물을 버리고 부패되는 과정에서 부유미생물이 발생하여 병원성 세균감염 및 알레르기를 일으킬 가능성이 있다. 따라서 음식물류 폐기물의 악취 및 부유미생물에 대한 대책이 시급한 상황이나 이에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 음식물류 폐기물에서 발생하는 악취 및 부유미생물은 계절, 기온, 재료에 따라 많은 차이가 생겨 처리장치의 설계인자를 도출하거나 성능을 정량적으로 평가하기에 어려움이 있다. 따라서 처리장치의 설계 및 성능평가를 위해 성상이 비교적 일정한 표준화 된 음식물류 폐기물의 제조가 필요하며 본 연구에서는 서울시에서 규정한 ‘음식물쓰레기 감량기기, 종량기기 가이드라인(2014)’의 중량비율을 참고하여 채소류, 과일류, 곡물류, 어육류 및 함수율을 조정하여 표준화 된 음식물류 폐기물을 제조하였다. 제조한 음식물류 폐기물의 부패기간에 따른 TVOC 및 복합악취, 부유미생물의 발생 경향을 파악함으로써 처리장치의 기초설계 인자를 도출하고자 하였다. 실험실에서 제조한 음식물류 폐기물의 부패기간에 따른 악취 및 부유미생물의 농도 변화를 측정하기 위하여 12시간 간격으로 TVOC, 복합악취, 부유미생물의 농도변화를 관찰하였다. 실험결과 TVOC, 복합악취, 부유미생물 농도가 60시간까지 지속적으로 증가하였으며 최대농도는 TVOC 86 ppm, 복합악취 3000배, 부유미생물 2517 CFU/m³로 측정되었다. 그리고 72시간 부패 후 TVOC 농도는 84 ppm이 측정되어 소량 감소되었지만 복합악취와 부유미생물의 농도는 복합악취 1000배, 부유미생물 1700 CFU/m³로 측정되었으며 확연히 감소되는 경향을 볼 수 있었다.

최근 온실가스에 의한 지구온난화에 대한 국내외의 관심이 급증하여, 주요 선진국을 필두로 하여 국제적인 협약 체결을 맺어 온실가스를 감축하고자 노력하고 있다. 한국도 온실가스 저감 목표를 세우고 이를 달성하기 위해 다양한 분야에서 관련 기술을 개발하고 있다. 특히, 한국 온실가스 배출 분야에서 온실가스 감축 잠재력이 비교적 큰 것으로 알려진 콘크리트의 주재료인 시멘트에 의한 온실가스 저감 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이는 한국뿐만 아니라 국제적으로 공통적인 큰 관심 연구 분야이다. 시멘트의 1 ton 생산 시에는 주요 온실가스인 이산화탄소가 0.7~1.0 ton 배출되는 것으로 알려져 있으며, 이는 전체 이산화탄소 배출량의 7~8%를 차지한다. 따라서 콘크리트 제조 시에 시멘트를 대신하여 고로슬래그, 플라이애쉬 등의 산업부산물을 활용하여, 시멘트 사용량을 줄여서 이산화탄소 배출량을 저감하고자하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 산업부산물을 적용한 알칼리 활성 콘크리트의 탄소 흡수 및 물리역학적 특성을 확인하여 실제 시멘트 대체용으로 활용 가능성을 확보하고자 하였다. 콘크리트 제조 시에 첨가되는 시멘트를 고로슬래그 및 플라이애쉬로 대체함으로써, 시멘트 사용량 저감을 통해 간접적으로 이산화탄소의 배출을 줄이고, 활성화시킨 고로슬래그를 활용하여 직접적으로 이산화탄소를 포집하였다. 또한 양생조건에 따른 이산화탄소 흡수능 및 이산화탄소 흡수 전후의 화학적 특성을 확인하고자 20~80℃ 범위에서 양생한 시료의 이산화탄소 흡수 및 물리역학적 특성을 비교하였다. 탄소 포집용 알칼리 활성 콘크리트를 제작함에 앞서, 기초 실험을 통해 다양한 산업부산물 중에서 이산화탄소 활성화제 및 시멘트 대체용으로 동시에 활용 가능한 최적의 산업부산물로 고로슬래그를 선정하였다. 고로슬래그의 수경성 확보를 위해 수산화칼슘 및 규산나트륨을 활성화제로 사용하였다. 바인더와 활성화제, 증류수를 투입하여 혼합한 알칼리 흡수제는 질소 충진한 항온 챔버에서 24시간 동안 보관하였다. 20℃에서 양생한 시료의 이산화탄소 흡수량은 51.5 g-CO2/kg였으며, 40℃에서 양생할 때 이산화탄소 흡수량은 59.3g-CO2/kg으로 가장 높았으나, 60, 80℃에서 양생한 시료의 경우 CO2 흡수량이 20, 40℃에서 양생한 시료에 비해 낮았다. 압축강도를 측정한 결과도 이산화탄소 흡수 실험결과와 동일한 추세를 보였다. 이산화탄소 흡수 및 압축강도 실험결과들을 바탕으로, 본 연구에서 개발한 알칼리 활성 콘크리트는 이산화탄소 흡수제 기능을 갖는 건축재료로써 활용이 가능하며, 특히 40℃에서 양생 할 경우 알칼리 활성 콘크리트의 이산화탄소 흡수능이 극대화 될 것으로 판단된다.